650MW水輪發電機轉子引線結構分析與改進

楊 東

（國家能源集團大渡河大崗山水電開發有限公司，四川省雅安市 625000）

0 引言

某水電站水輪發電機型號為SF650-48/14500，額定容量650MW，48個磁極，定子鐵芯外徑14500mm。發電機轉子由轉子支架、轉子磁軛、轉子磁極及其他附件組成；轉子上部與上端軸連接，下部與發電機主軸連接，轉子支架下部設48塊制動閘板；轉子磁軛由6mm厚的高強度沖片現場疊壓而成，并通過熱打鍵的方式使磁軛與轉子支架形成一個整體；48個轉子磁極掛裝于磁軛外側。轉子引線支撐墊鐵焊接于上磁軛壓板上，轉子引線頭間用螺栓把合，引線把合連接段用絕緣包扎，把合螺栓將轉子支架上的轉子引線與其支撐墊鐵以及其絕緣支撐墊塊把合為一體，半疊包時，先用浸環氧浸漬膠的毛氈進行包扎段的過渡平滑，然后半疊包8層環氧桐馬玻璃粉云母帶和1層無堿玻璃絲帶，半疊包過程中，層間刷室溫固化膠。

1 故障過程

4F機組執行停機→發電流程，機組第一次啟勵過程約10s滅磁開關發生跳閘，上位機報“4F滅磁開關跳閘”。調取故障錄波圖分析，發現跳閘前160ms勵磁電流發生突變至正常電流有效值的10倍左右，但該故障電流在4F機組第二次啟勵過程消失，初步判斷轉子回路存在瞬時短路現象。

4F機組退備后，檢修人員進入轉子檢查，在勵磁引排通入轉子中心體金屬外壁拐角部位查見有一處明顯放電痕跡。

進入轉子中心體內部后，發現勵磁引排正極一螺栓連接面燒損嚴重，燒損部位引線及絕緣套管整體有過熱、黑化痕跡（見圖1），燒損部位銅排熔化并有向勵磁引排負極噴濺的液態金屬絲痕跡（見圖2）。

圖1 絕緣套管過熱黑化痕跡Figure 1 Insulation bushing superheat blackening trace

2 檢查情況

由于電網需要，對4F勵磁引排故障部位進行細致的打磨處理，采取連接面涂抹導電膏增強導電能力的方法，并在引排裸露部位加裝絕緣熱縮套以增強引排極間絕緣水平，恢復引線安裝，4F恢復備用。

圖2 正負極短路痕跡Figure 2 Short Circuit Traces of Positive and Negative Electrodes

同步開展所有機組轉子引排接頭部位專項檢查，重點對連接部位接觸面、絕緣套管進行檢查，所有機組轉子引排接頭部位更換長度適中的絕緣套管，引排接頭固定雙頭螺桿增加鎖固膠涂抹，進一步加強螺栓止動措施，對引排裸露部位進行絕緣包扎處理，防止正負極間短路，在轉子引線線夾與銅排本體之間加裝浸膠的毛氈，改善震動位移[1]。

在對3F轉子銅排進行檢查時，銅排外觀無灼熱痕跡，用0.03mm塞尺檢查未用絕緣材料包扎過的銅排連接處，接頭均接觸良好。同時檢修試驗人員用直流電阻測試儀（試驗電流40A）測試滿足試驗條件的連接頭，中心孔內銅排靠磁極側第一個接頭直阻：正極12.5μΩ，負極3μΩ；第二、三個接頭直阻之和：正極7.5μΩ，負極10.5μΩ；轉子直流電阻103.3mΩ。

在對2F轉子銅排進行檢查時，銅排外觀無灼熱痕跡，檢查未用絕緣材料包扎過的銅排連接處，發現中心孔內轉子銅排靠磁極側第一個負極連接頭接觸面0.05mm塞尺可以塞入，深度超過70mm（見圖3），用扳手緊固連接螺母有點松動，擰緊后塞尺依然能塞進去。

將2F該接頭解開，測量絕緣套管長59～59.5mm，絕緣套管端部有被壓痕跡，更換四根長度56mm的絕緣套管，另兩個根絕緣套管未能拔出，用角磨機切除了約3mm，回裝后因接觸面不平整用0.05mm塞尺塞入深度約10mm，連接縫間涂上適量導電膏。用直流電阻測試儀測試滿足試驗條件的連接頭，中心孔內銅排靠磁極側第一個接頭直阻：正極5μΩ，負極5μΩ；第二、三個接頭直阻之和：正極10μΩ，負極8μΩ；轉子直流電阻103.1mΩ。

圖3 銅排間有明顯間隙Figure 3 Clearance between copper bars

3 故障原因分析

連接面接觸不良是造成本次故障的直接原因，4F轉子中心體內部勵磁正極引排故障連接面接觸電阻隨機組運行震動而逐漸變大，導致金屬接觸面過熱熔化引起正負極間瞬時短路。解體勵磁引排連接面，并分別測量銅排、絕緣夾件厚度，測量絕緣套管長度（見圖4），發現連接部位螺栓絕緣套管長58mm，偏長勵磁引排連接部位截面高度（2×15+2×13=56mm）約2mm，安裝過程螺栓緊固作用力多集中于絕緣套管端部，致使勵磁引排連接面接觸不夠充分，勵磁電流作用下引排接頭發熱嚴重。4F轉子中心體內部勵磁引排部分靠近接頭端部位置無絕緣包扎，且正負極引排平行布置，間距較近，為正負極短路提供了環境條件。機組安裝過程，轉子引線線夾與銅排直接剛性接觸，之間未加裝浸膠毛氈減震措施，引排接頭部位雙頭螺桿未按要求采取進行點焊、固定措施，易導致連接部位松動產生發熱[2]。

圖4 勵磁銅排、絕緣夾件厚度Figure 4 Thickness of excitation copper bars and insulation clamps

4 改進措施

4.1 改進分析

鑒于其他機組出現過：轉子勵磁引線負極靠轉子中心體軟連接外側與轉角連接板處接觸面發熱現象嚴重，絕緣板和絕緣套碳化嚴重（見圖5）；上端軸內部轉子負極引線接頭部位出現損壞，同時正極引線有端部放電融化、絕緣墊圈燒損及銅排側邊缺口等現象。

轉子引線燒損部位主要是銅薄螺母和引線接頭處。銅排引線燒損的原因一般有：銅排載流過負荷，自身發熱造成損壞；銅排連接處載流過負荷，自身發熱造成損壞；引線銅排接頭處松動造成接觸不良，引起打火[3]。

發電機轉子引線采用的銅排規格為14×90mm2，接頭處銅排規格為13×90mm2，而磁極線圈銅排規格為14×85/95mm2。引線銅排的截面積與線圈銅排的截面積相當。因此，不存在引線銅排由于載流過負荷自身發熱造成損壞的原因。

發電機轉子引線裝配中，穿軸段采用雙頭銅螺栓把合螺母連接上端軸軸壁內、外引線方式見圖6。

圖5 過熱的軟連接和絕緣套接觸面Figure 5 Overheated Soft Connection and Insulation Sheath Contact Surface

圖6 轉子引線穿軸示意圖Figure 6 Drawing of Rotor Lead Through Shaft

軸內引線與銅螺母采用鍍銀面接觸，銅螺母與銅螺栓采用螺紋接觸，接觸緊密度由兩個M36的螺母來保證。軸外引線也采用此種螺栓把合方式與銅排接觸。銅螺栓理論過流電密：3030/（2×π×182）=1.49A/mm2，銅螺母與銅排理論接觸電密為：3030/（2×π×4132）=0.73 A/mm2，理論電密控制在合適水平。一方面，轉子正極引線和負極引線總是流過同樣大小的電流，而轉子正極引線沒有出現接頭處銅螺母損壞現象，說明接觸面的電密設計值處于合理水平。另一方面，假如接觸面的電密水平偏高，那么發熱將會持續存在，溫度將會持續上升，短時間內就會出現接頭處燒毀導致接地的故障，這與運行情況并不相符。因此，不存在引線銅排由于連接處載流過負荷自身發熱造成損壞的原因。

接頭處螺桿、螺母材質的導熱系數、電阻率相差較大易產生松動（螺桿為紫銅，其導熱系數386.4mk，電阻率為0.018Ω·mm2/m。螺帽為黃銅，其導熱系數為108.9mK，電阻率為0.071Ω·mm2/m）；結構上沒有可靠的防松動措施，在機組運行時受到的電磁力、機械力作用下易出現接頭松動。

綜上所述，機組上端軸軸內引線出現燒損的原因主要是把合螺母松動，接觸面積減小，在過大（5000A）的勵磁電流通過時，接觸電密比設計值增加了很多，使得發熱嚴重，造成引線燒損的事故。

4.2 改進方案

根據改進分析，出現引線燒損的原因主要是螺栓松動引起接觸不良、鍍銀接觸面實際面積減小。因此，改進方法從兩方面進行：①增加防松措施，消除松動引起接觸不良的現象；②增大銅螺母與銅排的接觸面積，從而增加散熱面積，降低損耗，并增加安全裕度。

圖7 轉子引線穿軸結構改進方案圖Figure 7 Improvement Scheme of Rotor Lead Thread Shaft Structure

詳細改進方案如下：①上端軸內側將穿軸螺栓與銅排的把合結構更改為焊接結構，穿軸螺栓內側端頭由螺紋改為有凸臺的T形銅棒，其端面與內側銅排釬焊為一體。釬焊面剛強度高于銅螺栓，電阻率與純銅相當，過流電密為3030/（2×π×302）=0.54A/mm2[4]。②穿軸螺栓的材質為純銅T2，有良好的導電、導熱、耐蝕和加工性能，與轉子引線的焊接質量容易控制。螺母、薄螺母的材質為鉻青銅或等同材料，具有較高的強度和硬度，導電性、導熱性、耐磨性、減磨性均較好，電阻率為0.019Ω·mm2/m（純銅T2為0.018Ω·mm2/m），導熱系數為334.9mK（純銅T2為386.4mK）[5]。③上端軸外側保持穿軸螺栓與銅排的把合結構，增加雙孔止動墊圈以鎖定薄螺母，止動墊圈兩面鍍銀。④將銅螺母、銅薄螺母的外輪廓由M36螺母的尺寸增大至M42螺母的尺寸，使得單個銅螺母與銅排的接觸面積由1181mm2增大至2124mm2，增大約80%。銅螺母、銅薄螺母的厚度與原結構保持一致，銅螺母兩面鍍銀。

上端軸內側轉子引線在廠內完成絕緣處理，轉子引線接頭處在電站安裝完成后整體涂聚酯晾干紅瓷漆，以增強在灰塵、潮濕環境下的引線接頭絕緣。采用該改進結構后，穿軸螺栓與軸內引線銀焊為一體，能夠避免松動現象。

轉子引線穿軸結構改進總體方案見圖7。

5 結語

水輪發電機組轉子引線結構缺陷嚴重影響機組安全穩定運行，若要徹底解決，需要進行引線換型。此次創新改進，不僅保證了電站機組的安全穩定運行，同時為其他同型號水輪發電機組轉子引線的優化提供了成功解決的方案與寶貴經驗，可以在其他機組上進一步推廣應用。同時，可以引入轉子引線光纖測溫等在線監測系統，實時監測轉子引線的溫升等運行數據，為機組狀態檢修提供技術手段和數據支撐，實現實時故障診斷，提高水輪發電機組運行可靠性。